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“L’invisibilité” pourrait être la clé pour une meilleure électronique – MIT

“L’invisibilité” pourrait être la clé pour une meilleure électronique – MIT

“L’invisibilité” pourrait être la clé pour une meilleure électronique – MIT 999 892 Sébastien BAGES

Une nouvelle approche qui permet aux objets de devenir “invisible” a été appliquée à un tout autre domaine : laisser des particules “cachées” pour faire passer des électrons, ce qui pourrait conduire à des dispositifs thermoélectriques plus efficaces et de nouveaux types de produits électroniques.


Le concept – développé par Liao Bolin, étudiant diplômé du MIT (Massachusetts Institute of Technology), l’ancienne postdoctorante Mona Zebarjadi (maintenant professeure adjointe à l’Université Rutgers), le chercheur scientifique Keivan Esfarjani, et le professeur en génie mécanique Gang Chen – est décrit dans un document publié par la revue Physical Review.

Normalement, les électrons voyagent à travers un matériau d’une manière qui est semblable au mouvement des ondes électromagnétiques, incluant la lumière ; leur comportement peut être décrit par des équations d’ondes. Cela a conduit les chercheurs du MIT à exploiter l’idée des mécanismes de dissimulation, développés pour cacher les objets de la vue – mais en l’appliquant à la circulation des électrons, ce qui est essentiel pour les appareils électroniques et thermoélectriques.

Des travaux antérieurs sur les objets de camouflage se sont appuyés sur ce qu’on appelle : des métamatériaux (matériaux artificiels aux propriétés inhabituelles). Les structures composites sont utilisées pour masquer les faisceaux de lumière, en leur faisant contourner un objet, puis se rejoindre de nouveau de l’autre côté afin de reprendre leur chemin d’origine – l’objet devient ainsi invisible.

« Nous avons été inspirés par cette idée », a dit Chen, le Professeur Carl Soderberg Richard de génie électrique au MIT, qui a décidé d’étudier comment cela pourrait s’appliquer aux électrons, au lieu de la lumière. Mais dans le nouveau matériau de camouflage d’électrons, développé par Chen et ses collègues, le processus est légèrement différent.

Les chercheurs du MIT ont modélisé des nanoparticules avec le noyau d’un matériau d’une part, et son revêtement d’une autre. Mais dans ce cas, plutôt que de contourner l’objet, les électrons passent réellement à travers les particules : ils se dirigent d’abord sur une seule et même voie, puis reviennent, retournant à leur trajectoire initiale.

« Lors des simulations informatiques, le concept semblait fonctionner », a dit Liao. Actuellement, l’équipe va essayer de construire des dispositifs concrets pour voir si la théorie peut s’appliquer à la pratique. « Ce fut une première étape, une proposition théorique », a exprimé Liao. « Nous voulons mener des recherches sur la façon de faire des dispositifs réels avec cette stratégie ».

Bien que le concept initial ait été développé en utilisant des particules intégrées dans un substrat semi-conducteur classique, les chercheurs du MIT voudraient voir si les résultats peuvent être reproduits avec d’autres matériaux, tels que les feuilles de graphène bidimensionnelles, qui pourraient offrir d’intéressantes propriétés supplémentaires.


L’objectif initial des chercheurs était d’optimiser les matériaux utilisés dans les dispositifs thermoélectriques, qui produisent un courant électrique à partir d’un gradient de température. De tels dispositifs nécessitent une combinaison de caractéristiques qui sont difficiles à obtenir : une conductivité électrique élevée (de sorte que le courant généré puisse circuler librement), mais une faible conductivité thermique (pour maintenir un certain gradient de température). Mais les deux types de conductivité tendent à coexister, malgré le fait que peu de matériaux offrent ces caractéristiques contradictoires. Les simulations de l’équipe montrent que ces matériaux de camouflage d’électrons pourraient répondre à ces exigences exceptionnellement correctes.

Les simulations se sont reposées sur des particules d’une taille de quelques nanomètres, correspondant à la longueur d’onde des électrons circulant, améliorant le flux d’électrons à des niveaux d’énergie particuliers si l’on compare aux ordres de grandeur de stratégies dopantes traditionnelles. Cela pourrait conduire à des filtres ou des capteurs plus efficaces, ont souligné les chercheurs. « Comme les composants des puces informatiques deviennent plus petits », a expliqué Chen, « nous devons trouver des stratégies pour contrôler le transport des électrons », et cela pourrait être une approche utile.

« Le concept pourrait également conduire à un nouveau type de commutateurs pour les appareils électroniques », a continué Chen. Le commutateur peut fonctionner en basculant entre ‘transparent’ ou ‘opaque’ aux électrons, passant ainsi d’un flux allumé à éteint. « Nous en sommes vraiment au commencement », a-t-il dit. « Nous ne savons pas dans quelle mesure cela va fonctionner, mais il y a un certain potentiel » pour des applications significatives.

Xiang Zhang, professeur en génie mécanique à l’Université de Californie à Berkeley, qui n’était pas impliqué dans cette recherche, a déclaré : « c’est un travail très passionnant qui élargit le concept de l’abstraction dans le domaine des électrons. Les auteurs ont découvert une approche très intéressante qui pourra être très utile pour des applications thermoélectriques ».


Citations du Massachusetts Institute of Technology
Crédit image : Le diagramme montre le « flux de probabilité » d’électrons, une représentation des trajectoires des électrons quand ils passent à travers des nanoparticules «invisibles». Alors que les chemins sont concentrés à leur entrée dans la particule, ils sont ensuite replacés afin qu’ils réapparaissent de l’autre côté sur la même trajectoire – cela fait comme si la particule n’était pas là. © Bolin Liao et al.

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Sébastien BAGES
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Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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